Производство стали в агрегатах непрерывного действия

Существующие в настоящее время сталепла­вильные агрегаты (конвертеры, мартеновс­кие, дуговые, индукционные печи и т. д.) яв­ляются агрегатами периодического действия. Из опыта многих производств следует, что замена периодического процесса непрерыв­ным способствует увеличению производи­тельности, снижению эксплуатационных зат­рат, повышению качества и однородности (стандартности) продукции, уменьшению технологических отходов, более эффективно­му использованию добавочных материалов. Современная технология позволяет осуще­ствлять непрерывную разливку многих десят­ков плавок, тысяч тонн стали. Успешными оказались попытки создания непрерывной линии: непрерывная разливка стали —про­катный стан. Производства, смежные со ста­леплавильным (доменное, прокатное), по су­ществу, непрерывные. Процессы подготовки железорудного сырья (агломерация и получе­ние окатышей) также являются непрерывны­ми, поэтому вся схема современного метал­лургического производства, включающая подготовку сырья, выплавку чугуна, стали и получение проката, близка к переводу на не­прерывный процесс.

Проблемы, связанные с организацией не­прерывного сталеплавильного процесса, вы­бором удобной для практического использо­вания конструкции сталеплавильного агрега­та непрерывного действия (САНД) и отра­боткой технологии выплавки стали в этом агрегате, пока еще не решены. В частности, основные трудности, возникающие при раз­работке конструкции САНД, можно подраз­делить на две группы:

1. Технологические, заключающиеся в необходимости организации одновременного удаления из чугуна разнородных по своим термохимическим свойствам элементов: для удаления углерода требуются окисли­тельная атмосфера, железистые шлаки, дос­таточный уровень перегрева металла; для удаления фосфора желательно иметь же-лезистоизвестковые шлаки и умеренные тем­пературы; для удаления серы важно ин­тенсивное перемешивание основного шлака с металлом при достаточно высоком уровне нагрева ванны, а содержание оксидов железа в шлаке и кислорода в металле при этом дол­жно быть минимальным; для удаления кремния требуется иметь окислительную атмосферу и железистый шлак; заданная степень раскисления металла дос­тигается при минимальной окисленности шлака и т. д.

2. Конструктивные, заключающиеся в не­обходимости создания агрегата, который бы обеспечивал возможность проведения техно­логических операций в требуемой последова­тельности. При этом одновременно должна быть обеспечена высокая стойкость аг­регата и отдельных его элементов в условиях высоких температур и непрерывной работы при отсутствии даже кратковременных остановок для профилактического ре­монта конструкций и т. д.

КОНСТРУКЦИИ САНД

К настоящему времени предложено множе­ство различных вариантов конструкций САНД и технологий выплавки в них стали. Можно дать следующую условную классифи­кацию непрерывных сталеплавильных про­цессов.

18.1.1. По организации процесса:1) мно­гостадийные (с разделением операции на стадии), при этом в каждой емкости или час­ти агрегата проводится одна или несколько технологических операций: дефосфорация, десульфурация, раскисление и т. п.; 2) одно­стадийные, когда все операции удаления примесей и превращения чугуна в сталь про­текают одновременно или почти одновре­менно.

18.1.2. По конструкции агрегата:1) опе­рация проводится на поду; при этом газо­образные и твердые реагенты (кислород, флюсы, руды и т. п.) поступают в так назы­ваемые подовые, желобные реакторы; 2) операция проводится таким образом, что металл, шлак, добавочные материалы нахо­дятся во взвешенном распыленном каплеобразном состоянии (так называемые струйные реакторы).

18.1.З. По организации технологии:1) дви­жение шлака и металла происходит в одном направлении; 2) встречное движение шлака и металла (принцип противотока) (рис. 18.1).

Примером одностадийного непрерывно­го сталеплавильного процесса может служить схема, разработанная BISRA (Британским научно-исследовательским институтом чер­ной металлургии). В процессе BISRA падаю­щую струю чугуна окружает кольцевая струя кислорода, которая разбивает металл на ка­пельки диаметром 1—2мм. Поверхность контакта между каплями металла и кислоро­дом оказывается настолько большой, что вы­горание примесей происходит мгновенно. Процесс обработки металла в струе называют струйным рафинированием.

Схема процесса представлена на рис. 18.2. Падающая вниз струя чугуна, непре­рывно поступающая в установку, обрабаты­вается тонкоизмельченными флюсами и кис­лородом. Капельки рафинированного метал­ла и шлака падают в приемный ковш; металл собирается внизу под пенящимся шлаком, отстаивается и непрерывно выпускается в ковш для последующей разливки. Последую­щие капельки металла должны проходить че­рез этот шлаковый слой, дополнительно ра­финирующий металл. Отработанный шлак непрерывно стекает в шлаковую чашу. В процессе рафинирования происходит окис­ление капелек металла; это имеет место: 1)в зоне распыления струи чугуна; 2) при сво­бодном падении капель в окислительной ат­мосфере; 3) при прохождении через слой вспененного шлака; 4) в ковше. Опыты пока­зали, что при температуре металла 1500— 1600 "С и диаметре капли металла 2—3 мм скорость обезуглероживания превышает 3 %С/с; при образовании капель размером < 3 мм степень десульфурации превышает 50%.

Достоинством процесса струйного рафи-

Рис. 18.1.Технологическая схема САНД конструкции МИСиС:

а ~ принцип прямотока; б — принцип противотока;

1 — чугун; 2 — ввод шлакообразующих смесей; 3 —

спуск шлака; 4— выпуск металла

Рис. 18.2.Установка струйного типа для не­прерывного рафинирования жидкого чугуна института BISRA:

1 — промежуточное устройство; 2 —чугун; 3— кис­лород; 4— известь; 5— реакционная камера; 6— от­ходящие газы; 7—шлак; 8— отстойник; 9— сталь; 10— шиберный затвор; 11 — ковш для УНРС

нирования является то обстоятельство, что основные реакции здесь протекают в усло­виях отсутствия контакта металла с огне­упорной футеровкой. Однако условия эксп­луатации футеровки приемного ковша (от­стойника) сложны, так как происходит взаи­модействие футеровки с высокоактивным окислительным шлаком. Трудной задачей яв­ляется также разработка технологии, при ко­торой спускаемый из агрегата шлак содержит минимальное количество оксидов и, следова­тельно, обеспечивается максимальный выход годного металла. Из-за этих недостатков предложенный процесс в промышленность не внедрен.

В большинстве конструкций САНД пре­дусмотрена возможность организации веде­ния плавки на поду. Широкую известность получила конструкция САНД, разработанная Французским институтом черной металлур­гии IRSID. Агрегат (рис. 18.3) состоит из трех частей: реакционной камеры 1, отстойника 3 и камеры доводки 5. Чугун непрерывной струей поступает в камеру по желобу. Одно­временно при помощи водоохлаждаемого устройства (фурмы) 2 в камеру непрерывно подается кислород с молотой известью. Ре­акционная камера содержит небольшое ко­личество жидкого металла и слой металл-шлак-газовой эмульсии. Под действием подъемной силы пузырей газа эта эмульсия поднимается и перетекает в отстойник, где шлак отделяется от металла. Шлак стекает через отверстие 4, а металл сифоном переда­ется в камеру доводки, где подвергается рас­кислению и доводке по составу. В конструк­ции установки предусмотрена возможность устройства желоба, по которому шлак из вто-

Рис. 18.3.Схема установки для непрерывно­го рафинирования конструкции IRSID

рой камеры (отстойника) мог бы перетекать в первую камеру для повышения степени ис­пользования шлакообразующих и уменьше­ния потерь железа с уходящим шлаком.

В 1971—1976гг. проводили испытания САНД конструкции МИСиС. Установка включала четыре ванны, соединенные после­довательно (см. рис. 18.1). В первых трех осу­ществлялось рафинирование вдуванием газо­образного кислорода через верхние фурмы, а в последней — регулирование содержания уг­лерода и раскисление. Вместимость каждой ванны составляла 0,86м³ при глубине рас­плава 600 м и массе 6 т. Производительность этого опытно-промышленного агрегата дос­тигала 21 т/ч, степень удаления серы — 21 %, фосфора —93 %.

Окончательные выводы о показателях ра­боты агрегатов такого типа в промышленных условиях и соответственно о перспективах внедрения сделать пока трудно.

ПЕРЕПЛАВ МЕТАЛЛОЛОМА

Если САНД, основанные на переработке в сталь жидкого чугуна, не вышли из стадии полупромышленных испытаний, то САНД с использованием в качестве шихты дешевого

Рис. 18.4.Схема CSM-процесса:

/—плавление; //—рафинирование; ///—легирование; IV— разливка; / — кокс и известняк; 2— окалина;

3— вагранка; 4 — десульфурация; 5 —копильник; 6— ковш; 7—рафинировочный агрегат; 8— раскисление;

9— доводка; 10— УНРС; // —заготовки; 12 — десульфурирующие реагенты; 13 — охладители; 14— флюсы;

/5—ферросплавы; 16— теплообменник; /7—пылесборник; 18— эксгазустер; 19— труба

Рис. 18.5.Общий вид установки Consteel:

/ — загрузочный конвейер; 2 —тепловой затвор; 3 — бункера для стружки, скрапин, известняка и др.; 4 — бункера для добавок; 5— подогрев; 6— сталевоз

металлического лома (скрапа) получают все большее распространение. Работы ве­дутся во многих странах мира. Изыскание рациональных методов непрерывной пере­работки металлолома происходит в основ­ном по двум направлениям. В одном случае в качестве плавильного агрегата ис­пользуют высокомощную дуговую стале­плавильную печь с периодической выда­чей порции металла. В другом в каче­стве плавильного агрегата используют шахтную печь (типа вагранки). В обоих случаях получаемый полупродукт доводит­ся затем во вспомогательных агрегатах. В качестве примера организации непрерыв­ного сталеплавильного процесса может служить процесс, разработанный Японс­ким научно-исследовательским институ­том металлургии NRIM.

Построенный по предложенной схеме комплекс (рис. 18.4) включает металлур­гическую вагранку, работающую на подо­гретом до 500 °С дутье, производительно­стью 20 т/ч. В качестве шихты используют металлолом и пакеты. Полученный в ваг­ранке углеродистый полупродукт (2,7— 3,5 %С) попадает в ковш, где обрабатыва­ется десульфурирующими смесями, после чего переливается в канальную (с индук­тором для подогрева) индукционную печь — копильник. Из копильника металл попадает в рафинировочную печь, обору­дованную сводовыми кислородными фур­мами и устройствами для присадки охла­дителей и флюсов. После рафинировоч­ной печи металл попадает в оборудован­ный пористой пробкой для вдувания инертного газа ковш, где производится его раскисление.

На рис. 18.5 показан общий вид агрегата непрерывного сталеплавильного процесса Consteel на базе ДСП. Шихту (металлолом или металлизованные окатыши), подогре­ваемую за счет дожигания СО, выделяюще­гося из ванны дуговой печи при ее продув­ке кислородом, подают непрерывно в печь. Температура металлолома перед поступле­нием в печь составляет 500—700 °С. Печь с эркерным выпуском обеспечивает периоди­ческую выдачу порций стали, поступающих далее на установки внепечной обработки. Процесс Consteel был создан в начале 80-х годов XX в. в США. Различные варианты процесса с непрерывной подачей подогре­ваемой отходящими газами металлошихты в печь получают все большее распростране­ние во многих странах.

В начале 80-х годов в Германии разра­ботан процесс (Energy Optimizing Furnace) (с оптимальным расходом энергии), на­званный процессом EOF. Первый про­мышленный агрегат (рис. 18.6) был введен на одном из заводов Бразилии. Емкость этого агрегата 30 т, производительность ~ 200 тыс. т стали в год, стойкость футеров­ки > 500 плавок, расход жидкого топлива 8—9 кг, кокса 1,0кг на 1т стали, расход кислорода 60—78 М³/т, расход огнеупоров 6 кг/т стали.

Опыт показал, что утилизация тепла отхо­дящих газов позволяет нагреть подаваемую твердую металлошихту до 850 °С. Состав ших­ты (соотношение расхода чугуна и металлоло­ма), как и в мартеновских печах, может ме-

Рис. 18.6.Печь с оптимальным расходом энергии (EOF):

а —схема (1 — металлолом; 2 — нагретый лом; 3 — холодный воздух; 4 — рекуператор; 5— нагретый воздух; 6— добавка кислорода; 7—кислородные фурмы; <?—топливно-кислородные горелки); 6— об­щий вид (см. на цветной вклейке)

няться в широких пределах. К 1993 г. в мире работало ~ 10 установок EOF (в Бразилии, Индии, Италии, США, Венгрии) производи­тельностью 200—600 тыс. т/год каждая.